Úloha mitochondrií v patogenezi Huntingtonovy choroby

Overview

Huntingtonova choroba (HD) je dědičné neurodegenerativní onemocnění způsobené prodloužením úseku CAG repetic v důsledku zvýšeného počtu jejich opakování v prvním exonu genu pro huntingtin (Htt), které vede ke změně funkce proteinu. Nejvýraznějším neuropatologickým projevem onemocnění je ztráta striatálních neuronů. Přesné mechanismy zodpovědné za odumírání neuronů zatím nebyly uspokojivě objasněny. V poslední době přibývá počet vědeckých studií, které poukazují na to, že v tomto procesu hraje významnou roli poškození mitochondriálních funkcí a s tím související narušený energetický metabolismus. V této přehledné práci je poukázáno na nejvýraznější defekty mitochondrií způsobené vlivem mutované formy huntingtinu. Široké spektrum změn mitochondriálních funkcí zahrnuje oslabení biogeneze mitochondrií, Ca²⁺ homeostázy, nárůst oxidačního stresu, změny mitochondriální dynamiky a mnoho dalších procesů. Kombinace těchto aspektů zřejmě přispívá k odumírání striatálních neuronů u HD.

Klíčová slova:
mitochondrie, systém oxidační fosforylace, Huntingtonova choroba, huntingtin.

Úvod

Huntingtonova choroba (HD, z anglického Huntington´s disease) je závažné neurodegenerativní onemocnění s prevalencí 5 - 10 na 100 000 [1]. Tato choroba byla poprvé komplexně popsána americkým lékařem Georgem Huntingtonem již v roce 1872. G. Huntington popsal klinické příznaky onemocnění (stále se zhoršující poruchy pohybu, změny osobnosti a narušení kognice) způsobené vlivem ztráty neuronů v corpus striatum a předpověděl autozomálně-dominantní typ dědičnosti tohoto onemocnění, což bylo později skutečně prokázáno [2]. První příznaky onemocnění se objevují velice plíživě, a to nejčastěji mezi 35. - 50. rokem života. Existuje ale také juvenilní forma HD, u které dochází k projevům prvních příznaků onemocnění ještě před dosažením 20 let [3]. Huntingtonova choroba progreduje v několika fázích a většinou již 15-20 let od propuknutí prvních příznaků bývá fatální [1]. V současné době je tato choroba stále neléčitelná, a proto je snahou co nejlépe poznat patomechanismy vedoucí k rozvoji HD s cílem usnadnit hledání potencionální terapie.

Patofyziologie Huntingtonovy choroby

Na rozdíl od jiných neurodegenerativních onemocnění, jako jsou Alzheimerova či Parkinsonova choroba, je HD podmíněna mutací pouze v jediném genu, a to HTT (nazývaného též IT-15). Tento gen se nachází na krátkém raménku 4. chromozomu (4p16.3) a kóduje protein huntingtin (Htt). Mutací v prvním exonu genu pro huntingtin dochází k abnormálnímu prodloužení trinukleotidových CAG repetic (kodon pro glutamin), což vede k prodloužení polyglutaminového řetězce a následně ke změně struktury proteinu [4]. U zdravých jedinců se běžně nachází 9 - 36 CAG repetic, u pacientů s HD poté většinou bývá překročen počet 37 těchto repetic [5].

Funkce huntingtinu

Huntingtin je solubilní protein o velikosti 348 kDa. V buňkách zastává mnoho různých funkcí, je unikátní a nevykazuje žádnou sekvenční homologii s jinými proteiny [4]. Htt má antiapoptotické vlastnosti a hraje klíčovou roli v embryogenezi, kde se podílí na vývoji nervové soustavy [6].

Tento protein je široce exprimován, a to nejvíce v neuronech centrální nervové soustavy a ve varlatech [7]. V buňkách asociuje s mnoha proteiny a buněčnými organelami. Kromě buněčného jádra, endoplazmatického retikula a Golgiho komplexu interaguje také s mitochondriemi, hlavními energetickými organelami buňky. Díky široké subcelulární lokalizaci se huntingtin účastní mnoha různých buněčných procesů. V cytosolu reguluje transport váčků či organel a v jádře transkripci některých genů, například PGC1α či BDNF [8]. Za patologickými vlastnostmi mutovaného Htt (mHtt) tak stojí zřejmě nejen ztráta fyziologických funkcí normální formy Htt, ale také získání nových, pro buňky velice škodlivých až toxických vlastností.

Mitochondriální dysfunkce

Přesto, že je v současné době známý gen i mutace zodpovědná za vznik HD, přesné mechanismy vedoucí k patogenezi onemocnění zatím stále ještě nebyly objasněny. Existuje však mnoho důkazů, které poukazují na to, že jedním z klíčových hráčů v patogenezi onemocnění je narušený energetický metabolismus v důsledku porušené funkce mitochondrií [9]. Již mnohokrát byla prokázána souvislost mezi dysfunkcemi mitochondrií, narůstajícím oxidačním stresem a řadou neurodegenerativních onemocnění [10]. Narušená funkce mitochondrií díky mHtt (obr. 1) byla u člověka a na různých modelech popsána nejen v mozkové tkáni, ale také v periferních tkáních, jako jsou svaly, fibroblasty či lymfocyty periferní krve [8].

Inhibice genu PGC1α

V průběhu rozvoje Huntingtonovy choroby dochází k postupnému odumírání neuronů, a to převážně v oblasti striata. Právě tyto neurony jsou charakteristické svými vysokými energetickými nároky. Jedna z možných teorií vysvětlujících patogenezi onemocnění proto spočívá v tom, že mHtt způsobuje narušení funkce mitochondrií, což má za následek snížení dodávky energie neuronům a to vede k jejich odumírání [11].

Jednu z drah, prostřednictvím které mHtt způsobuje narušení mitochondriálních funkcí, představuje inhibice exprese genu PGC1α - transkripčního koaktivátoru jaderných receptorů a dalších transkripčních faktorů, který reguluje řadu metabolických procesů včetně biogeneze mitochondrií a oxidační fosforylace [12]. Bylo prokázáno, že mHtt je schopen inhibovat transkripci genu PGC1α ve striatálních neuronech, a to zřejmě tím, že narušuje vazbu transkripčních faktorů (CREB/TAF4) do promotoru genu PGC1α. To následně vede k inhibici exprese tohoto genu a k narušení neuronálního metabolismu [13].

Narušení homeostázy vápníku

Mutovaný Htt výrazně negativně ovlivňuje mitochondrie v neuronech také narušením jejich schopnosti správně regulovat hladinu Ca²⁺ [14].

Mitochondrie hrají významnou roli v regulaci hladiny vápníku, jsou schopny Ca²⁺ akumulovat nebo naopak uvolnit do cytoplasmy buněk v závislosti na jeho potřebě. Mitochondriální transport Ca²⁺ je poháněn protonovým gradientem. Správné hospodaření mitochondrií s Ca²⁺ je důležité pro přežití neuronů a narušení této homeostázy poté vede k „vybití“ mitochondriálního membránového potenciálu, otevření mitochondriálního permeabilního tranzitního póru (MPTP), uvolnění cytochromu c a k aktivaci kaskády buněčné smrti [15]. Bylo zjištěno, že obě formy Htt, a to jak normální, tak i mutovaná, jsou schopny vázat se na vnější mitochondriální membránu. Ale pouze mHtt dokáže zvýšit senzitivitu MPTP k otevření póru vyvolanému vápníkem, a tím spustit i následné apoptotické procesy [16].

Nárůst oxidačního stresu

Tvorba reaktivních forem kyslíku, a s tím související oxidační stres způsobený mHtt, je zřejmě dalším významným pilířem v patogenezi HD. Na nárůst oxidačního stresu již v časné fázi HD poukazují změny množství nebo aktivity různých enzymů a molekul. V mozkové tkáni (konkrétně v nucleus caudatus, putamen a v mozkové kůře) pacientů s HD byla například pozorována výrazně inhibibovaná aktivita akonitázy, enzymu Krebsova cyklu [17]. To nejspíše odráží zvýšenou tvorbu reaktivních forem kyslíku (ROS), protože aktivita tohoto enzymu je velice citlivě regulována změnou množství ROS [18]. Dalším faktorem poukazujícím na nárůst ROS u pacientů s HD je akumulace lipofuscinu. Tento produkt peroxidace nenasycených mastných kyselin se s narůstajícím množstvím oxidačního stresu výrazně akumuluje [19], což bylo pozorováno v neuronech a gliálních buňkách pacientů s HD [20]. Rostoucí oxidační stres odráží také nárůst antioxidačních obranných mechanismů buňky. V mozkové tkáni pa-cientů byla detekována zvýšená aktivita mitochondriální superoxid dismutázy a katalázy [21].

Narušení oxidační fosforylace

Mnoho studií se zaměřilo také na to, zda k patogenezi onemocnění přispívá narušená funkce enzymů komplexů oxidační fosforylace (OXPHOS) a s tím související změny respirace, které byly u buněk pacientů s HD mnohokrát popsány [8]. Například v autoptické mozkové tkáni (nucleus caudatus a putamen) pacientů byla detekována výrazně snížená aktivita II. a III. komplexu OXPHOS a mírně snížená aktivita komplexu IV. [22]. Na myším modelu poté byly prokázány změny struktury i funkce II. komplexu [23] a ve striatálních neuronech pacientů bylo dokonce pozorováno snížené množství některých podjednotek II. komplexu [24]. Zůstává však otázkou, zda jsou tyto změny způsobeny přímou asociací mHtt s komplexy OXPHOS nebo zda jsou zapříčiněny sekundárně rostoucím oxidačním stresem, narušeným transportem cytosolárně syntetizovaných proteinů do mitochondrie [25] nebo dalšími faktory.

Narušení dynamiky a transportu mitochondrií

Významným patologickým aspektem pozorovaným v souvislosti s HD je narušená dynamika a transport mitochondrií. Mitochondrie jsou velice dynamické organely, které neustále mění svůj tvar a strukturu, a to prostřednictvím dvou protichůdných procesů: fúze a dělení. Existuje mnoho proteinů, které se těchto dvou procesů účastní, a právě narušená funkce některých z nich byla popsána ve tkáních pacientů s HD [26]. Dělení a fúze mitochondrií jsou regulovány skupinou GTPáz patřících do rodiny proteinů příbuzných dynaminu. Mezi proteiny řídící fúzi patří Opa1, který se nachází ve vnitřní mitochondriální membráně a je zodpovědný za strukturu této membrány a také krist. Dále také proteiny Mfn1 a Mfn2, které jsou součástí membrány vnější. Opačného procesu, tedy dělení mitochondrií, se účastní cytoplasmatický protein Drp1 a protein lokalizovaný ve vnější mitochondriální membráně Fis1 [27].

Prostřednictvím různých zobrazovacích metod byly v mozkové tkáni pacientů s HD pozorovány změny počtu a morfogeneze mitochondrií [28]. Bylo dokázáno, že mutovaný Htt vyvolává v neuronech a fibroblastech pacientů fragmentaci mitochondrií, což je způsobeno jeho interakcí s proteinem Drp1 zodpovědným za mitochondriální dělení. Mutovaný Htt totiž stimuluje aktivitu tohoto proteinu, což nejspíše vede k rozpadu mitochondriální sítě [29]. Tyto nálezy podporuje také pozorování snížené exprese proteinů zodpovědných za mitochondriální fúzi (Opa1, Mfn1 a Mfn2) a naopak zvýšená exprese proteinů účastnících se dělení mitochondrií (Drp1 a Fis1) v mozkové tkáni pacientů s HD [30]. Naproti tomu snížený počet mitochondrií pozorovaný v neuronech pacientů [28] by mohl souviset nejen s narušením dynamiky mitochondrií, ale i s inhibicí exprese genu PGC1α, účastnícího se regulace biogeneze mitochondrií (viz výše).

Kromě změn dynamiky byly pozorovány také změny struktury mitochondriálních krist, což je dalším odrazem poškození mitochondrií [31]. Mutovaný Htt je schopen ovlivnit dokonce i transport mitochondrií a dalších organel podél mikrotubulů v neuronech [32]. Přesný mechanismus, jakým působí mHtt na pohyb mitochondrií, není zatím zcela jasný. Nejspíše k tomu však dochází prostřednictvím inhibice kinesinů a dyneinů regulujících anterográdní a retrográdní transport mitochondrií v neuronech. Mutovaný Htt neovlivňuje kinesiny a dyneiny přímo, ale interaguje s proteinem Hap1 a dalšími proteiny, které poté regulují funkce těchto proteinů [33]. Jednou z teorií je také to, že vzniklé agregáty mHtt stericky brání pohybu mitochondrií podél mikrotubulů [34]. Všechny tyto změny mají za následek nerovnoměrnou dostupnost energeticky klíčových molekul (ATP) nezbytných pro metabolické procesy v buňce.

Závěr

Mitochondriální změny způsobené mutovaným Htt, mezi které patří narušení biogeneze mitochondrií, narušení mitochondriálního hospodaření s Ca²⁺, nárůst oxidačního stresu, narušení funkce enzymů OXPHOS a narušení mitochondriální dynamiky a transportu, jsou významnými faktory přispívajícími k odumírání neuronů a tím i k samotné patogenezi HD. V současné době není k dispozici účinná léčba této choroby, ale snahou je najít vhodné terapeutické přístupy, které by pomohly zvrátit mechanismy způsobující patogenezi tohoto onemocnění [35].

Seznam zkratek

BDNF mozkový neurotrofní faktor (z anglického brain-derived neurotrophic factor)

CREB/TAF4 protein vázající se na cAMP responzivní element/faktor 4 asociovaný s TATA vazebným proteinem

Drp1 protein 1 příbuzný dynaminu (z anglického dynamin-related protein 1)

Fis1 protein dělení 1

Hap1 protein 1 asociovaný s huntingtinem (z anglického huntingtin-associated protein 1)

HD Huntingtonova choroba

Htt huntingtin

Mfn1 mitofusin 1

Mfn2 mitofusin 2

mHtt mutovaný huntingtin

MPTP mitochondriální permeabilní tranzitní pór (z anglického mitochondrial permeability transition pore)

Opa1 protein vedoucí k oční atrofii 1

OXPHOS systém oxidační fosforylace

PGC1α transkripční faktor biogeneze mitochondrií (peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1 alpha)

ROS reaktivní formy kyslíku (z anglického reactive oxygen species)

Podporováno finančními prostředky z Norského finančního mechanismu na období 2009-2014 a Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy (MŠMT) na základě smluvního projektu č. 28477/2014 „HUNTINGTON“ 7F14308 a projekty NPU LO1609 (MŠMT), COST LD 15099 a RVO-VFN64165

Do redakce došlo 22. 10. 2015

Adresa pro korespondenci:

RNDr. Hana Hansíková, CSc.

1. LF UK a VFN v Praze

Laboratoř pro studium mitochondriálních poruch

Klinika dětského a dorostového lékařství

Ke Karlovu 2,

12808 Praha 2

e-mail: hana.hansikova@lf1.cuni.cz